I电流互感器深度饱和时的继电保护性能研究

1 电流互感器深度饱和时的继电保护性能研究及电流互感器选择

苏毅1 盛和乐2 孙茗2 屠黎明1 秦应力1 高惠民2

（ 1. 北京四方继保自动化股份有限公司，北京，100085 ）

（ 2. 国电华北电力设计院工程有限公司，北京，100011 ）

摘要：随着电力系统短路容量的增加，经常出现主设备的容量远远小于系统短路容量的情况，例如：高压启动/备用变压器、高压厂用变压器和高压并联电抗器等等，其电流互感器参数选择成为困扰继电保护工作者的突出问题。若按照故障时通过互感器的最大短路电流不应超过其准确限值电流来选择，不但设备投资成本过高，更重要的是会造成继电保护整定困难和主设备内部故障保护灵敏度不足；若按照主设备额定容量来选择，则又会造成内部出口故障时电流互感器严重饱和，需要对此时的保护性能进行详细分析。本文通过实验和理论分析的方法研究了内部故障电流互感器深度饱和时的继电保护性能，并在此基础上给出了解决上述问题的电流互感器选择方案。

关键字：电流互感器； 准确限值电流； 饱和； 微机保护

0 引言

随着接入电力系统的大机组的增多和电网建设的加强，电力系统的短路容量不断增加。在电力系统中，单台主设备容量远远小于系统短路容量的情况越来越多，特别是高压启动/备用变压器(简称起备变下同)、高压厂用变压器和高压并联电抗器等。在这些主设备出口短路时，短路位置如图1(a,b,c,d,e)中的K1点所示，此时一般有多个电源提供短路电流，为避免电流互感器(简称CT下同)饱和，图1(a,b,c,d,e)中的CT1需要按照故障时通过互感器的最大短路电流不应超过其准确限值电流来选择[1]。但是这将导致实际二次电流过小，保护整定困难；而互感器的体积过大，安装困难且成本高。若按照主设备额定容量来选择CT，由于区内出口故障时短路电流可能到达CT的额定电流的100倍以上，会造成CT严重饱和，此时能否确保继电保护正确动作，成为继电保护工作者关心的问题。

文献[2]对中压系统保护用电流互感器参数选择方法进行了深入研究，指出当通过互感器电流达到准确限值电流后继续增大时，二次电流虽然不能与一次电流成比例变化，但其值(含有效值、平均值及由傅氏算法求出的基波值)却还是呈上升趋势。过电流保护的整定值如小于电流互感器准确限值电流时能可靠动作，当一次电流继续增大，保护仍能可靠动作[2]。当一CT1CT2K1K2CT1CT2K1K2CT3CT1CT2K1K2机端母线a) 3/2接线的起备变b) 双母线接线的起备变主变保护厂变保护c) 高压厂用变压器线路d) 线路电抗器e) 母线电抗器CT1CT1CT2CT3CT2CT3K2K1K1K2次电流足够大时， CT二次电流已经超出了保护装置的测量范围，此时对保护装置的动作行为已经不进行规定和校验，但实际上保护装置是可以动作的，可以看出现有保护装置还有很大的潜力可以挖掘。充分研究和挖掘保护装置的潜力，对降低工程总体造价，解决继电保护实践中的难题，提高保护可靠性，补充继电保护技术条件图1 CT安装位置以及短路位置示意图 2 和校验规程都具有重要意义。

这些对高压系统也有一定借鉴作用，本文将文献[2]的研究范围从中压系统延伸到高压系统和发变组保护中，研究对象从过流保护改为差动保护，分析图1(a,b,c,d,e)中CT1深度饱和时的差动保护性能。由于高压系统和大型发电机组时间常数大，差动保护动作速度快，保护动作时系统仍然处于暂态过程中，必须考虑暂态过程对保护的影响。为此，对现有电流互感器和微机保护装置进行不同互感器参数和不同短路电流下的系列试验，通过录波等方式，探求电流互感器在饱和时的输出和复合误差特性，以及与保护动作行为之间的关系，找出适当的规律，针对存在问题摸索解决问题的途径，最终获得正确的选择电流互感器参数和保护装置定值的方法。确定合理可行工程设计，以确保电力系统安全稳定运行。

经统计国内300MW~1000MW机组的高压厂用变压器和起备变时间常数小于100ms，选用P级互感器就能满足暂态和稳态工况的要求[3]。高压并联电抗器采用P级CT也可以满足要求，因此本文主要针对P级互感器进行分析。受篇幅限制，本文仅讨论微机保护，且以最常见的保护最大电流测量范围为20In为例进行分析（In为CT二次额定电流1A或5A下同），保护最大测量范围与此不相同时可以按比例折算。

1 试验概况

试验采用实时数字仿真系统RTDS模拟一次系统的暂态过程和互感器传变特性，通过功率放大器输出到实际的保护装置，考核保护装置的动作特性。其中RTDS中的一次系统和互感器参数可根据实际设置，也可以根据研究需要进行灵活调整。

试验采用某发电厂高压厂用变压器的实际参数，其接线图如图1 c)所示，具体参数如下：变压器额定容量63/35-35MVA，额定电压为20/6.3-6.3kV，CT1变比为3000/1，可以计算出变压器二次额定电流Ie=0.606A。差动保护取CT1，定值为0.4Ie=0.242A；差动速断保护定值为7Ie=4.24A。保护装置最大测量范围为20A。系统短路容量、短路时刻、CT特性以及二次负担可以根据需要进行调整。

试验内容1：一次CT正确传变，远大于测量范围的电流流入保护装置，主要考察大电流对保护装置的影响。

当一次CT正确传变且一次电流无非周期分量时，二次电流波形接近标准正弦波，实验波形如图2所示。

图2 一次CT正确传变且无非周期分量的采样

图中：

a) 为二次电流波形；

b) 为保护采样电流波形。

当一次CT正确传变且一次电流有非周期分量时，二次电流波形为正弦波叠加非周期分量，实验波形如图3所示。

图3 一次CT正确传变且有非周期分量的采样

图中：

a) 为二次电流波形；

b) 为保护采样电流波形。

试验内容2：一次CT饱和，电流波形畸变，考察大电流对一次CT和保护装置的综合影响。

当一次CT饱和且一次电流无非周期分量时，实验波形如图4所示。

图4 一次CT饱和且无非周期分量的采样

图中： 3 a) 为一次电流折算到二次侧波形；

b) 为二次电流波形；

c) 为保护采样电流波形。

当一次CT饱和且一次电流有非周期分量时，实验波形如图5所示。

图5 一次CT饱和且有非周期分量的采样

图中：

a) 为一次电流折算到二次侧波形；

b) 为二次电流波形；

c) 为保护采样电流波形。

试验内容3：人为增加CT的二次负担，一次CT严重饱和，电流波形畸变，考察CT负担对保护装置动作情况的影响。

试验发现：CT二次负担接近于零时随着一次电流增大CT饱和现象不明显。在相同的一次电流下，随着CT二次负担的增加，CT饱和越来越严重，保护感受到的电流越来越小。

总之，在CT负担小于额定负担条件下，调整故障形式和设备参数，作了数百次区内故障实验，发现差动保护全部可以正确动作。

2 大电流下影响保护的因素分析

当被保护元件区内故障，而且短路电流远远大于CT的准确限值电流时，继电保护是否能正确动作？回答这一问题时需要涉及到一次系统、CT特性、CT二次负担、保护装置原理以及保护定值整定等诸多因素，现将这些因素逐一进行分析总结，并对实验现象进行解释。

2.1 CT特性以及过饱和系数的影响

考虑CT带纯电阻性负担，不同过饱和系数Ksa时的二次电流波形如图6所示[2]。其中Ksa=Isc/(Kalf*Ipn)，Isc为一次短路电流，Kalf为互感器的准确限值系数，Ipn为互感器的一次额定电流。从图6中可以看出，提高互感器的准确限值系数有利于增大互感器的起始饱和角。另外Kalf恒定时，随着一次电流的增加，Ksa增加，起始饱和角下降但电流的峰值增大，二次电流与横轴包围的面积不变。说明饱和后二次电流不会为零，而是一个相当大的值。

另外，从互感器VA特性试验也可以说明CT饱和后二次电流不会为零。试验可以发现电流互感器彻底饱和时，二次绕组输出的电动势并不是0，而是维持在某一个数值，该数值一般为拐点电压的1.5倍。二次的负担小于额定负担时，这个二次电动势产生的电流不会为零，而是大于准确限值电流的某一个值。

图6 电阻负荷二次电流波形

2.2 衰减非周期分量的影响

故障电流中存在按一次系统衰减时间常数衰减的非周期分量，很大一部分衰减非周期分量会流入互感器的励磁回路，这是造成电流互感器饱和的主要原因之一。另外，互感器二次同样会产生衰减非周期分量，对保护装置内的小电流变换器产生影响。

为使区外故障的暂态过程中不饱和，选择互感器时必须考虑暂态系数Ktf，这与一次时间常数和二次时间常数有关，互感器在C-O循环中的暂态系数可按（1）式或图7进行分析计算[1]： 4

式中： Tp为一次时间常数；

Ts为二次时间常数。

图7 暂态系数Ktf与一次时间常数Tp的关系

Ts=10s

按照主设备容量选择的互感器，在区内CT附近故障时必然饱和，按照（1）式考虑很大的暂态系数，并没有意义，也不太现实。为确保区内故障的暂态过程中差动保护能够动作，让微机保护装置采集到足够的有效数据，建议用户规定的暂态系数Ks按2考虑。

2.3 CT二次回路负担的影响

微机保护交流回路功耗小于1VA/相，一般可以忽略，互感器的主要二次负担为电缆的电阻分量，可以等效为纯电阻负担。

通过本次试验可以看出，CT二次负担的大小对最终保护是否动作有决定性影响。当CT二次负担接近于零，在很大的一次电流下CT都没有饱和，保护可靠动作；当CT二次负担在合理的范围内时，即使CT存在饱和，差动速断可以可靠动作；当CT二次负担远大于额定值时，CT饱和后流入保护装置的电流明显减小，出现了故障时保护无法动作的情况。

5P级电流互感器漏磁小，互感器准确限值系数与负荷的关系可以用二次极限感应电动势相等来确定[3]。即：

IsnalfK(Rct+Rb)= IsnKalf(Rct+Rbn) 由此得出

bctbnctalfalfRRRRKK

式中：Isn －互感器额定二次电流

alfK－在实际二次负荷下的准确限值系数

Kalf－互感器的额定准确限值系数

Rct －互感器二次绕组电阻（75℃）

Rb －实际负荷，Ω

Rbn －互感器标定的额定负荷，Ω

可以看出降低互感器的二次负担相当于提高了折算后的准确限值系数alfK，这对保护的动作情况具有决定性影响。注意微机保护交流功耗很小，计算时必须考虑互感器二次绕组电阻Rct。

2.4 保护装置采样率的影响

文献[2]发现保护装置采样率对计算结果有一定影响，每周期采样18点的保护，过饱和系数不超过13。如采样频率更高，则过饱和系数基本不受限制。目前常见的微机保护采样率一般为24点，可以满足要求。

2.5 保护装置内部小CT的影响

从试验结果可以看出，当互感器二次电流远大于保护装置的测量范围时，巨大的非周期分量流过保护装置内部的小电流变换器(简称小CT)时，会造成小CT的饱和，如图3所示。

试验中发现当非周期分量较小时，即使交流分量超过小CT测量范围的5倍以上，仍然可以正确传变；当非周期分量很大时，小CT发生饱和，二次波形发生畸变，但小CT二次信号是足够大的，部分点已经超过了A/D采集的范围，出现了削顶现象。小CT饱和后保护仍然可以正确动作，这一点与一次CT的饱和类似。 （1）